МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ ПРОПУСКНОЙ СПОСОБНОСТИ В МАГИСТРАЛЬНЫХ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

METHODS OF INCREASING THE CAPACITY IN TRUNK FIBER-OPTICAL TRANSMISSION SYSTEMS

В настоящее время, в связи с высоким темпом развития технологий (производительность процессоров, плотность серверов, емкость систем хранения и т. д.), возникает потребность постоянно увеличивать скорость и достоверность передачи информации. Однако мало обеспечивать только текущие потребности, важно понимать и прогнозировать, что будет в будущем, к чему следует быть готовым и искать наиболее выгодный и удобный путь перехода к новым скоростям. Текущие тенденции развития Центров обработки данных говорят о том, что потребность в пропускной способности их сетей будет ежегодно увеличиваться на 25-30%. Сеть ЦОДа должна гарантированно обрабатывать большие объемы трафика и, что так же важно, обеспечивать масштабируемость серверных и сетевых ресурсов. Все это вызывает необходимость повышать скорость передачи информации, а, соответсвенно, и пропускную способность.

Волоконно-оптическая система передачи — волоконно-оптическая система, состоящая из пассивных и активных элементов, предназначенная для передачи информации в оптическом (как правило — ближнем инфракрасном) диапазоне. К ее достоинствам относят: малое затухание сигнала, высокая пропускная способность, информационная безопасность, высокая защищённость от межволоконных влияний и др. Недостатками являются: относительная хрупкость оптического волокна, сложность соединения в случае разрыва, сложная технология изготовления и др.

Основное применение оптических волокон было найдено в создании среды для передачи информации в различных телекоммуникационных сетях. Более того, они применяются для создания сетей различных уровней. Их используют для создания простых домашних сетей, и вплоть для создания единого канала передачи данных для всей страны. Такой спрос возник из-за их достоинств, которые были приведены выше.

Скорость передачи данных по оптоволоконному каналу может быть огромной. Причем скорость стала настолько велика, что 40 Гбит в секунду это уже некий стандарт простых каналов, поскольку в последнее время разработаны такие оптоволоконные сети, которые могут передать данные со скоростью более 1 Тбит/с. Подобные сети состоят из нескольких сотен уплотненных и связанных каналов связи. Стоимость оптоволоконного кабеля с такой пропускной способностью очень велика. Но, несмотря на это, их использование оказывается весьма рентабельным.

Модуляция - процесс изменения одного или нескольких параметров модулируемого несущего сигнала при помощи модулирующего сигнала. В результате модуляции спектр низкочастотного управляющего сигнала переносится в область высоких частот. Это позволяет избежать влияния помех на работу всех приёмо-передающих устройств. В качестве несущего используются колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т. д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущего колебания изменяется, различают виды модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.). Модуляция дискретным сигналом называется цифровой модуляцией или манипуляцией. На рисунке ниже представлена полная её классификация.

 

 

Рисунок 1 – Классификация методов модуляции

 

Использование того или иного формата модуляции является одним из методов повышения пропускной способности, ниже представлены наиболее популярные виды.

Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ)

Переносчиком сообщения в амплитудно-импульсной модуляции (АИМ) является серия прямоугольных импульсов. Под воздействием мгновенных значений сообщения (тока или напряжения) амплитуда импульсов переносчика изменяется, как показано на рисунке 1.

Рисунок 2 - Временная диаграмма амплитудно-импульсной модуляции

 

Импульсы, модулированные по амплитуде, обладают спектром, отличающимся от немодулированной последовательности тем, что вокруг каждой составляющей спектра немодулированной последовательности появляются боковые частоты. Ширина полосы частот определяется практически длительностью импульсов и слабо зависит от модулирующей частоты. АИМ обладает теми же недостатками и достоинствами, что и АМ.

Квадратурная амплитудная модуляция

QAM – (Quadrature Amplitude Modulation - Квадратурная амплитудная модуляция) – разновидность амплитудной модуляции сигнала, которая представляет собой сумму двух несущих колебаний одной частоты, но сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90° (π/2 радиан, т.е., четверть полного угла, поэтому «квадратурная»), каждое из которых модулировано по амплитуде своим модулирующим сигналом. Комбинация всех уровней амплитуды на этих двух несущих представляет собой бинарную битовую картину.

Квадратурная амплитудная модуляция является разновидностью амплитудной модуляции и относится к линейному виду. Частотная, наоборот, является нелинейной.

Частотная манипуляция

FSK - (Frequency Shift Keying – частотная манипуляция) — вид манипуляции, при которой скачкообразно изменяется частота несущего сигнала в зависимости от значений символов информационной последовательности. Частотная манипуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала. Значениям «0» и «1» информационной последовательности соответствуют определённые частоты синусоидального сигнала при неизменной амплитуде. Частотная манипуляция с минимальным сдвигом (англ. Minimal Shift Keying (MSK)) представляет собой способ модуляции, при котором не происходит скачков фазы и изменение частоты происходит в моменты пересечения несущей нулевого уровня.

Сравнивая виды модуляции по критерию энергетической эффективности, можно сделать следующий вывод: при ограниченной полосе, при M ≤ 4 наиболее эффективной является модуляция QPSK, а при M > 4 – QAM. QPSK является частным случаем QAM при M=4. Можно считать QAM наиболее эффективным видом модуляции при любом числе уровней. Еще больший выигрыш по сравнению с обыкновенными QPSK и QAM дают их усовершенствованные модификации, такие, как модификации Феера (FQPSK, FQAM), модуляция с решетчатым кодированием (TCM), оптимизация формы сигнальных созвездий и использование многомерных сигнальных созвездий.

Следующим методом повышения пропускной способности служит мультиплексирование - передача данных по нескольким логическим каналам связи в одном физическом канале. Под физическим каналом в данной статье подразумевается реальный канал со своей пропускной способностью — оптический кабель.

Метод временного мультиплексирования (TDM)

Процесс передачи разбивается на ряд временных циклов, каждый из которых, в свою очередь, разбивается на N подциклов, зависящих от числа уплотняемых каналов. Каждый подцикл подразделяется на тайм-слоты, в течение которых передается часть информации одного из мультиплексируемых потоков. Кроме того, некоторое число позиций отводится для идентификационных синхроимпульсов, вставок и цифрового потока служебной связи. При TDM каждому из информационных каналов системы, имеющих общий источник излучения, отводится определенный интервал времени или временное окно для передачи информации. В первый интервал времени оптическая несущая модулируется сигналом одного информационного канала, во второй – другого и т.д. Длительность этих интервалов определяется различными факторами, главные - это скорость преобразования электрических сигналов в оптические и скорость передачи информации в линии связи.

Метод спектрального уплотнения (WDM)

Данный метод позволяет увеличить скорости передачи информации в ВОЛС за счет одновременной передачи по одному волокну нескольких TDM каналов на различных длинах волн. В системах WDM к оконечному оборудованию предъявляются такие же требования, как и в системах TDM, для остального оборудования пропускная способность ограничивается лишь самими каналами. Полная пропускная способность линии связи не ограничена пропускной способностью используемых электронных компонентов. При необходимости, требуемая пропускная способность достигается путем добавления/удаления оптических несущих. Каждый канал электросвязи, образуемый ЦСП, обрабатывается в системе WDM как отдельный канал на отдельной длине волны. Суть этого метода состоит в том, что j информационных цифровых потоков, (их количество может быть 2, 4, 8, 32..i..j), переносимых каждый на своей оптической несущей на длине волны λm и разнесенных в пространстве, с помощью специальных устройств -- оптических мультиплексоров (ОМ) – объединяются в один оптический поток λ1.. λm, после чего он вводится в оптическое волокно. На приемной стороне производится обратная операция демультиплексирования.

Метод частотного уплотнения (FDM)

При частотном мультиплексировании (FDM – Frequency Division Multiplexing) каждый информационный поток передается по физическому каналу на соответствующей частоте. Если в качестве физического канала выступает оптическое излучение, то оно модулируется по интенсивности групповым информационным сигналом, спектр которого состоит из ряда частот поднесущих, количество которых равно числу компонентных информационных потоков. На приемной стороне оптическая несущая попадает на фотодетектор, на нагрузке которого выделяется электрический групповой поток, поступающий после усиления в широкополосном усилителе приема на входы узкополосных фильтров, центральная частота пропускания которых равна одной из поднесущих частот.

Уплотнение по поляризации (PDM)

Уплотнение информационных потоков с помощью оптических несущих, имеющих, в свою очередь, линейную поляризацию, называется уплотнением по поляризации (PDM – Polarization Division Multiplexing). При этом плоскость поляризации каждой несущей должна быть расположена под собственным углом. Для мультиплексирования применяются специальные оптические призмы, например, призмы Рошона. Данный вид мультиплексирования возможен только тогда, когда в среде передачи отсутствует оптическая анизотропия, т.е. волокно не должно иметь локальных неоднородностей и изгибов. Вследствие этого данный метод имеет ограниченное применение. В частности, он применяется в оптических изоляторах, а также в оптических волоконных усилителях, которые используются в устройствах накачки эрбиевого волокна для сложения излучения накачки двух лазеров, излучение которых имеет выраженную поляризацию в виде вытянутого эллипса.

Сравнительный анализ методов мультиплексирования

Целью сравнения является исследование целесообразности применения методов волнового (WDM) и временного уплотнения (TDM) для увеличения пропускной способности ВОСП.

Сравнивать такие методы мультиплексирования как FDM и PDM нет необходимости в связи с тем, что они не нашли применения для магистральных систем передачи.

WDM и TDM предусматривают объединение нескольких входных низкоскоростных каналов в один составной высокоскоростной канал. Но TDM технология работает на одной длине волны, а WDM – на нескольких.

В связи с этой особенностью, чтобы наращивать количество каналов по технологии TDM, необходимо увеличивать скорость передачи по принципу STM-1 в STM-N или STM-N в STM-4*N, а по технологии WDM - путем добавления новых оптических несущих λm, а также путем уменьшения расстояния между несущими.

ВЫВОД

Подведя краткий итог, стоить сказать, что для увеличения пропускной способности и скорости передачи информации в волоконно-оптических системах передачи, требуется:

  1. Использовать различные методы модуляции и мультиплексирования в различных их модификациях. Например, временное уплотнение – TDM.
  2. Использовать новые оптические кабели. Это связано не только с тем, что современные кабели имеют меньшую стоимость и улучшенные характеристики, но и с тем, что необходимо делать ставку на дальнейшее развитие технологий.
  3. Использовать современную аппаратуру с высоким быстродействием. Использование такого оборудования создаст перспективы увеличения качества оптических каналов.
  4. Переходить от электронных компонент к полностью оптическим.

 

ЛИТЕРАТУРА

  1. Голиков, А.М. Модуляция, кодирование и моделирование в телекоммуникационных системах. Теория и практика: Учебное пособие / А.М. Голиков. - СПб.: Издательство «Лань», 2018. – 452с.
  2. Козлова, В.М., Кутяпов, П.Я. Методы модуляции в современных волоконно-оптических системах передачи. Научно – технический перевод / Академия ФСО России, 2020. – 87с.
  3. Радиопередающие устройства: учебник для ВУЗов; под ред. В. В. Шахгильдяна. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 2003.
  4. Википедия – свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. — http://wikipedia.org — (дата обращения: 20.11.2020).
  5. Родина, О.В. Волоконно-оптические линии связи. Практическое руководство. – М.: Горячая линия – Телеком, 2014, - 400 с.